스마트폰이 대중화된 이후 스마트폰 중심의 모바일 데이터 사용량이 매년 가파른 증가세를 보이고 있다. 특히 기차, 지하철, 버스와 같은 ‘이동중인 교통수단’ 내에서의 모바일 인터넷 이용률이 매우 높게 나타나고 있다. 이처럼 한 장소에 사용자가 밀집된 고속이동체에서 발생하는 무선 트래픽은 고속이동 환경에서 오는 기술적 한계로 인해 매우 낮은 전송속도와 빈번한 끊김현상이 발생한다. 왜냐하면 기존의 4세대까지의 이동통신 시스템은 6GHz 이하의 셀룰러 주파수를 사용하는 저속이동 환경에 최적화된 시스템이므로, 고속환경에서는 데이터 전송용량이 저속환경에 비해 현저하게 감소하기 때문이다. 따라서 수많은 인터넷 사용자들이 동시에 그룹으로 이동하는 모바일 핫스팟 환경에서 고속이동체에 고용량의 모바일 데이터 서비스를 제공할 수 있는 새로운 통신시스템이 필요하다.
본 논문에서는 400km/h까지 움직이는 고속이동체에 기가급 무선 데이터 전송이 가능한 밀리미터파 이동무선백홀 구조와 이동무선백홀에서의 밀리미터파 통신을 위한 상·하향링크의 물리계층 전송 구조를 제안한다. 모바일 핫스팟 네트워크는 10GHz 이상의 밀리미터파를 사용하는 차량 외부의 이동무선백홀 링크와 6GHz 이하 주파수를 사용하는 차량 내부의 무선랜/펨토셀과 같은 액세스 링크로 구성된 2계위 시스템이다. 상·하향링크는 모두 OFDM 기반의 광대역 무선전송 방식과 빔포밍 및 다이버시티 기술을 사용한다. 이동무선백홀은 분산 안테나 시스템에 의해 단일 주파수 멀티플로우 전송이 가능하여 주파수 효율이 향상되었다. 상향링크의 다중접속방식으로 PAPR이 낮은 Dual DFTS-OFDMA 방식을 제안하였고, TDD 방식에서 효율적인 상향링크의 송신 AFC 알고리즘을 제안하였다. 송신 AFC 알고리즘은 상향링크에서 발생할 것으로 예상되는 주파수 옵셋을 송신단에서 미리 보상해주는 기술이다. 또한 고속에서의 도플러 영향을 극복하고 코히런트 복조를 위한 상향링크 DMRS 및 하향링크 CRS의 레퍼런스 신호를 설계하였다. 상향링크는 하향링크 주파수 옵셋의 2배를 추정할 수 있고 채널 추정기의 구현 복잡도가 낮아지도록 DMRS 구조를 설계하였다. 하향링크는 시간 축으로는 4개의 OFDM 심볼 간격과 주파수 축으로는 6개의 부반송파 간격으로 CRS 구조를 설계하였고, 엣지 구간의 성능을 개선한 FFT 보간법의 채널 추정기를 구현하였다. 그리고 1x1과 1x2 안테나 구성에 대한 상·하향링크의 복조기를 설계하고 구현하였다.
밀리미터파 이동무선백홀 통신의 성능은, 고속열차(400km/h)의 경우 라이시안 페이딩 채널 환경에서 단일 안테나 송수신으로 분석되었고, 지하철(80km/h)의 경우 레일리 페이딩 채널 환경에서 송수신 다이버시티를 사용하여 분석되었다. 전산모의실험 결과, 라이시안 페이딩 채널에서 상향링크는 송수신 AFC 알고리즘의 사용으로 하향링크보다 약간 좋은 주파수 효율을 나타내었다. 레일리 페이딩 채널에서는 하향링크의 채널 추정 성능이 우수하여 상향링크에 비해 약 1.5배의 주파수 효율을 얻을 수 있었다. 그리고 송수신 다이버시티에 의해 고속열차보다 지하철 환경에서 더 좋은 성능을 달성할 수 있었다. 이러한 상·하향링크의 성능은 이동체가 동시에 두 개의 기지국과 통신할 수 있기 때문에 주파수 효율 및 데이터 전송율은 각각 두 배로 증가한다.
따라서 본 논문에서 제안하는 밀리미터파를 활용한 이동무선백홀 통신의 변복조 기술은 400km/h까지 움직이는 이동체에 기가급 무선 데이터 전송이 가능하게 해준다. 본 연구결과는 밀리미터파를 이용한 5세대 이동통신 시스템의 변복조 기술 연구 및 모뎀 개발에 기여할 수 있을 것이다.